在阿拉巴馬州巴克斯，2.7千兆瓦的詹姆斯·M·巴里發(fā)電廠內(nèi)正在進行一項實驗，未來可能會開啟一個幾乎零排放的化石燃料發(fā)電新時代。今年，技術(shù)人員和工程師開始著手在主電廠附近安裝一對四方形的白色集裝箱。這些集裝箱中裝有一種新型燃料電池，不僅能產(chǎn)生電力，還能捕獲和收集主電廠（燃燒煤炭和天然氣）90%的二氧化碳排放量。如果可以大規(guī)模實施，其碳捕集水平將使巴里工廠的排放狀況接近地熱發(fā)電廠，并且不會出現(xiàn)風(fēng)能和太陽能的間歇發(fā)電。
這項技術(shù)來自位于康涅狄格州丹伯里的燃料電池能源公司（FuelCell Energy），該公司與石油天然氣巨頭?？松梨诠竞湍戏焦竞献鳎戏焦镜淖庸臼前屠锕S的所有者和運營方。該項目旨在展示更加新型、有效的碳捕集方法，讓世界上大多數(shù)嚴重依賴化石燃料發(fā)電的國家實現(xiàn)減少溫室氣體排放的目標。它也是燃料電池的一個作品展示，經(jīng)過了180年的研發(fā)和無數(shù)次的失敗，燃料電池已經(jīng)奮力達到了商業(yè)就緒狀態(tài)。
1839年，英國律師兼業(yè)余科學(xué)家威廉·羅伯特·格魯夫（William Robert Grove）證明，鉑箔可以催化氫和氧之間的反應(yīng)，產(chǎn)生電能和少量水。從那以后，氫燃料電池作為清潔、高效能源的潛力吸引了大批研究人員、實業(yè)家和環(huán)保人士。
然而要完善這項技術(shù)十分困難。昂貴的材料、耐用性以及如何確保氫的穩(wěn)定供應(yīng)等問題打亂了許多燃料電池項目，同時實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的進程也很緩慢。美國汽車工業(yè)在21世紀初試圖將燃料電池定位為電動汽車的終極動力來源，但事實證明這項技術(shù)還遠遠沒有準備好。盡管如此，許多汽車制造商仍在研究燃料電池，這給氫經(jīng)濟的倡導(dǎo)者帶來了希望。
在阿拉巴馬州南部，燃料電池技術(shù)一直引人關(guān)注。與用純氫作為燃料的汽車電池不同，燃料電池能源公司的熔融碳酸鹽燃料電池使用的是天然氣或沼氣中的氫。這類電池的體積更大，需要固定場地，運行溫度高達650攝氏度左右。高溫使它們不易受到一氧化碳（通過加工含碳燃料產(chǎn)生）等有毒物質(zhì)的影響。碳燃料燃燒時產(chǎn)生的一氧化碳會破壞低溫燃料電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
在熔融碳酸鹽燃料電池中，碳是反應(yīng)式的一部分。在陰極（也稱為空氣極），二氧化碳和氧氣被送入電池內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，形成帶電的碳酸離子，懸浮在熔融鹽電解質(zhì)中。這些離子通過電解質(zhì)遷移到陽極（也稱燃料電極），在那里與天然氣或沼氣等碳氫化合物燃料中的氫發(fā)生反應(yīng)，生成水、二氧化碳和電子。然后，這些電子會在返回陰極前進入外部電路做有用功，而反應(yīng)中產(chǎn)生的二氧化碳則會循環(huán)回到陰極。
這種電源技術(shù)還有另一個用途?！爱斎廴谔妓猁}燃料電池產(chǎn)生電能時，系統(tǒng)以電化學(xué)方式吸取二氧化碳?！比剂想姵啬茉垂靖呒墤?yīng)用和技術(shù)開發(fā)部的副總裁托尼·利奧（Tony Leo）解釋說，“我們一開始并沒有過多考慮這個問題，直到了解到人們對捕獲二氧化碳充滿興趣?！痹跉夂蜃兓拇蟊尘跋?，燃料電池能源公司的工程師們意識到，燃料電池的抽吸功能可以用于捕獲和收集陽極的二氧化碳。為了補充燃料電池持續(xù)運轉(zhuǎn)所需的二氧化碳，他們可以利用污染氣體，也就是工業(yè)廢氣。
在巴里工廠，燃料電池將使用熱電廠的廢氣作為碳源。鋼鐵廠或水泥廠的廢氣也可以利用，在世界范圍內(nèi)，這些廢氣中的二氧化碳排放量分別都達到約5%。集中的二氧化碳可以儲存在地下深處，也可以作為工業(yè)原料。與需要消耗電力的傳統(tǒng)氨基碳捕獲法不同，燃料電池將可以自己產(chǎn)生電力來驅(qū)動這個過程。
利奧說，多年來，人們一直在研發(fā)最新型的熔融碳酸鹽燃料電池。20世紀50年代首次研究這項技術(shù)的研究人員對其明顯的靈活性印象深刻。該系統(tǒng)運行溫度高意味著催化劑可以采用廉價的鎳而不是昂貴的鉑；另外，幾乎所有的碳氫化合物都可以作為燃料來源，至少在原則上是這樣；更重要的是產(chǎn)生的熱量也可以被捕獲并利用。在20世紀60年代，美國陸軍設(shè)想在其所有的軍隊駐扎區(qū)使用熔融碳酸鹽燃料電池，方便士兵利用一切可用的燃料。天然氣公司希望將這項技術(shù)整合到他們的管道網(wǎng)絡(luò)中，形成可以與電力公司一較高下的分布式發(fā)電系統(tǒng)。但是限于碳酸鹽的腐蝕性，大多數(shù)贊助商在早期就擱置了這項技術(shù)。
20世紀70年代爆發(fā)的能源危機和環(huán)境運動重新引燃了人們對包括碳酸鹽燃料電池在內(nèi)的各種清潔能源的興趣。正是在這次發(fā)酵中，燃料電池能源公司，也就是此后的能源研究集團成立了。利奧說：“我們認為最有意義的是發(fā)電系統(tǒng)可以依靠管道的天然氣運行，碳酸鹽這樣的高溫燃料電池就能實現(xiàn)這一點。”
先進能源面臨的突出問題之一是新產(chǎn)品通常需要幾十年才能進入市場。不止一位觀察家指出，電池領(lǐng)域不存在摩爾定律，因此政府的持續(xù)支持至關(guān)重要。在美國能源部的幫助下，燃料電池能源公司得以專注從事一些費力不討好的任務(wù)，比如改進熔融碳酸鹽燃料電池的效率、成本和耐用性。經(jīng)過多年的研究開發(fā)，1996到1997年，燃料電池能源公司在加州圣克拉拉市運行了一個2兆瓦的示范電廠；2003年，推出了第一個商用設(shè)備。到目前為止，燃料電池能源公司已經(jīng)在全球50個地區(qū)建立了幾百兆瓦容量的發(fā)電設(shè)施，其中最著名的是位于韓國的59兆瓦熱電廠。如今燃料電池能源公司已成為熔融碳酸鹽技術(shù)的主要供應(yīng)商。
美國政府不僅在燃料電池能源公司的起步階段進行了大力培育，在其進入碳捕集領(lǐng)域的過程中也發(fā)揮了關(guān)鍵作用。美國能源部長期支持“清潔煤”研究，為此到20世紀90年代末，一直在推動碳捕集和組合循環(huán)。利奧說，隨著21世紀初的能源政策越來越強調(diào)可持續(xù)性，燃料電池能源公司開始考慮使用其燃料電池作為碳過濾器。
“我們當時完全是在紙上談兵，然后我們突然意識到，從概念上講它是有意義的?！彼貞浀馈?/p>
在美國環(huán)境保護署的協(xié)助下，燃料電池能源公司模擬了燃料電池如何處置煤炭廢氣并進行了分析。熔融碳酸鹽燃料電池無法耐受煤中的一些污染物，比如硫，于是工程師們尋找從廢氣中提取有害物質(zhì)的方法。在這過程中他們偶然發(fā)現(xiàn)：反應(yīng)過程消除了廢氣中70%的氮氧化物，從而減少了傳統(tǒng)的空氣污染物。
但燃料電池領(lǐng)域的戰(zhàn)斗不都是那么容易取勝的。2015年9月，燃料電池能源公司宣布與美國能源部分攤投資一個2370萬美元的項目，證明其技術(shù)可以從小股煤炭廢氣中捕獲90%的二氧化碳，并將其濃縮至95%的純度。在項目的第一階段，一個經(jīng)過改進的商用2.8兆瓦SureSource 3000燃料電池系統(tǒng)，每天將捕獲巴里電廠排出的54噸二氧化碳。
這只是該電廠二氧化碳排放量的極小一部分?？陀^來看，一個典型的500兆瓦煤電廠每年約排放330萬噸二氧化碳，相當于每天約9000噸二氧化碳，捕集這些排放量的90%需要大約400兆瓦的燃料電池容量。
這需要一大批燃料電池。就資本投資而言，燃料電池的發(fā)電成本是傳統(tǒng)燃煤發(fā)電的3～4倍。借助碳酸鹽燃料電池，熱電聯(lián)產(chǎn)可以使主電廠的發(fā)電量增加80%。支持者指出，如果將全生命周期成本考慮在內(nèi)，再加上難以量化的環(huán)境效益，平衡開始傾向于這種組合循環(huán)。
不過目前，巴里項目的合作者要建立這樣的系統(tǒng)仍有很長的路要走。首先，如果要結(jié)合碳捕集燃料電池與燃煤電廠，需要解決燃料電池的燃料問題，普通的煤不合適，必須先進行氣化，這樣就增加了復(fù)雜性和成本。
因此，矛盾的是，燃料電池能源公司的煤炭排放試驗需要使用天然氣作為燃料，這也是選擇巴里電廠為試驗主場的原因之一。該電廠是一個煤/天然氣混合電廠，本身就是美國能源趨勢的風(fēng)向標。該電廠建于1954年，當時為全煤機組，1971年，在原來2個發(fā)電機組的基礎(chǔ)上又增加了3個燃煤機組；2000年，美國南方電力公司安裝了5個燃氣機組，后幾年逐步開始淘汰煤炭，2015年關(guān)閉了1個燃煤機組，并將另外2個燃煤機組轉(zhuǎn)化為燃氣機組。
選擇巴里電廠的另一個原因在于，它曾經(jīng)主辦過一次碳捕集與封存演示活動。美國南方電力公司與美國能源部合作,使用三菱重工的有機胺法，以化學(xué)方式固定燃煤廢氣中的碳，然后用管道輸送到19公里外的油田存儲起來。該項目從2012年8月運行至2014年9月，截存了約10.4萬噸二氧化碳。（美國南方電力公司運營的另一家位于密西西比州肯珀爾市的煤電廠，本來要展示一種不同的碳捕集方法，但去年該公司宣布該廠改用天然氣,不再捕集任何排放物。）
在項目的第二階段，燃料電池能源公司要將其技術(shù)應(yīng)用于天然氣廢氣脫碳。那將需要一個稍微不同的過程，能源巨頭?？松梨诠緯⑴c進來，幫助解決這個問題。?？松梨诠镜母呒壙茖W(xué)顧問蒂姆·巴克霍爾茨（Tim Barckholtz）表示，公司第一次聽說燃料電池能源公司在碳捕集方面的開創(chuàng)性工作時就提出了合作，2014年合作正式開始。
巴克霍爾茨稱，從理論上講，從天然氣廢氣中捕集碳要比從燃煤廢氣中簡單得多?！叭細廨啓C每度電的二氧化碳排放量是燃煤電廠的一半，因此要做的工作也只有一半?！?/p>
事實上，不管將燃料電池與什么類型的發(fā)電廠結(jié)合都會帶來驚喜?！蔼毩⒛Ｊ较碌奶妓猁}燃料電池要在理想條件下運行。”巴克霍爾茨解釋說，“但是，當你把它和大型發(fā)電廠結(jié)合時，就有點四兩撥千斤的效果了?！辈捎么祟惤M合循環(huán)工作電廠必須保持“微妙的平衡”，否則電廠就會跳閘。接下來幾個月的時間，埃克森美孚公司的科學(xué)家和工程師們將努力解決這些問題。
與此同時，燃料電池能源公司的利奧表示，他們公司專注于完成實驗中的煤炭廢氣部分。在2019年初準備就緒后，燃料電池系統(tǒng)將先運行大約6個月，然后改用天然氣廢氣。我們的前車之鑒是，發(fā)展是漸進式的，不要指望取得飛躍性的突破。
一直以來，電力行業(yè)將商業(yè)行為導(dǎo)致的氣候變化和溫室氣體排放視為洪水猛獸，而這個正在進行的項目則證明，這一觀念正在發(fā)生改變。這種轉(zhuǎn)變推動了產(chǎn)業(yè)研究前沿的跨學(xué)科合作。
擁有無機化學(xué)博士學(xué)位的巴克霍爾茨承認：“我參與這個項目的時候，前6個月不得不重新自學(xué)大量的電化學(xué)知識?！比剂想姵啬茉垂竞桶？松梨诠径际歉髯灶I(lǐng)域的翹楚，日常運作規(guī)模也迥然不同?！皟烧呓Y(jié)合在一起，確實帶來了改進和優(yōu)化我們系統(tǒng)的有趣想法。”
像燃料電池能源公司這樣的企業(yè)，歷經(jīng)幾十年時光，希望能夠挑戰(zhàn)“不惜一切代價打造廉價能源”的范式。對于它們來說，這就是進步。
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